核磁共振实验报告-中科大学生作-请自行参考.docx

核磁共振系别：11系 学号：PB06210381姓名：赵海波实验目的：观察核磁共振稳态吸收现象，掌握核磁共振的实验基本原理和方法， 测量1H和19F的Y值和g因子实验原理： 1． 核自旋 原子核具有自旋，其自旋角动量为p1 = Ji (I + i)h(1)其中i是核自旋量子数，其值为半整数或整数当质子数和质量数均为偶数 时，1=0,当质量数为偶数而质子数为奇数时，I=0,1,2...,当质量数为奇数时， I=n-2 (n=1, 3,5...).2． 核磁矩原子核带有电荷，因而具有子旋磁矩，其大小为=g^

设z轴沿B方向，p在z方向分量 I O I只能取p = mh (m=I, 1-1,…，-1+1, -I) (7)Iz卩=ypIz Iz( 8 )则核磁矩所具有的势能为E =―卩-B = B = —y hmBI 0 Iz 0 0( 9 )1 1 1 -对于氢核(1H ), 1=一，m=干一，E = +-y hB，两能级之间的能量差为2 2 2 0AE = hro =丫 hB = gp B 0 0 N 0（10）AE正比于B由于血并约等于电子质量的11840，故在同样的外磁场Bq中，核 能级裂距约为电子自旋能级裂距的11840，这表明核磁共振信号比电子自旋共振 信号弱的多，观测起来更困难4.核磁共振实现核磁共振，必须有一个稳恒的外磁场B及一个与B和总磁矩m所组 OO成的平面相垂直的旋转磁场B，当B的角频率等于ro时，旋转磁场的能量为1 1 0ro h = AE，则核吸收此旋转磁场能量，实现能级间的跃迁，即发生核磁共振0此时应满足AE = ro h = gp hB0 N 0 （11）ro = YB00（12）（13）h为普朗克常数研究核磁共振有两种方法，一是连续波法或称稳态方法，是用连续的射频场（即旋转磁场Bi）作用到核系统上，观察到核对频率的响应信号。

另一种是脉 冲法，用射频脉冲作用在核系统上，观察到核对时间的响应信号脉冲法有较高 的灵敏度，测量速度快，但需要进行快速傅里叶变换，技术要求较高，以观察信 号区分，可观察色散信号或吸收信号，但一般观察吸收信号，因为比较容易分析 理解从信号的检测来分，可分为感应法、平衡法和吸收法测量共振时，核磁 矩吸收射频场能量而在附近线圈中感应到的信号，称为感应法；测量由于共振使 电桥失去平衡而输出的电压即为平衡法；直接测量由于共振使射频振荡线圈中负载发生变化的方法即为吸收法本实验用连续波吸收法来观察核磁共振现象5．实验方法(1)稳态法核磁共振为了观察核磁共振信号，可以固定B，让B的频率®连续变化而通过共振O1区，当3 = ® =yB时，则出现共振信号，此为扫频法若使B的频率不变，让0 0 1B 连续变化而扫过共振区，则为扫荡法，由于技术上的原因，一般用扫荡法O在稳恒磁场B上加一交变低频调制磁场B = B cos31，使样品所在的实际磁场 Om也发生变化，此时，B = B + B，如图2.3.1-l(a),相应的进动频率3 =y(B + B) 0 0 0也周期性变化，如果射频场的角频率为3，则当B +B扫过3所对应的共振磁场0B =呀时，会发生共振，从示波器上观察到共振信号如图2.3.1-1 (b)。

改变B或3都会使信号位置发生相对移动，当共振信号间距相等重复频率为4“f时，表 示共振发生在调制磁场的相位为2“ft = 0，“，2“，… 如图2.3.1-2此时，若 已知样品的Y，测出对于能够的射频场频率v，即可算出B反之测出B，可OO算出y和g因子105AAAAAA图艺3.1核确共振倍号ES2.3J-2尊闾距共撮信号若两种样品，先后置于相同的磁场中，当信号等间距时，由式(12)、(13)，v—1y1v—2y214) 由此可由一已知样品的y值来标定另一未知样品的y值稳态法磁共振的条件是，只有扫描磁场B通过共振区的时间远长于T、T时12才会有稳态的吸收信号，如图2.3.1-3,若扫场速度很快，贝U核磁矩在Oxy平面上的分量M、M，将以T为时间常数趋向于零，观察到不稳定的瞬时信号，x y 2如图 2.3.1-4在样品中加入少许顺磁离子，即具有电子磁矩的粒子，在一定条件下，可使共振信号变大，因为电子磁矩产生较强的局部磁场而影响核磁的驰豫过程，使T、1T 都大为边小， T、 T 的变小，使共振信号变宽2 1 2图 2.3.1-5 是实验的装置图，包括电磁铁、边限振荡器、探头及样品、频率计 示波器及移相器等。

对磁场的一般要求是稳定性和样品所在范围内均匀性好磁 铁可以是稀土材料制成的永久磁铁，它的优点是设备简单、短期稳定性好、干扰 小，缺点是磁场变化范围小，连续控制难、长期使用会退磁、需经常校测另一 种是电磁铁它由磁头及主线圈和扫描线圈组成，主线圈通以稳恒电流时产生B，改变电流大小或磁极间距离，可以改变B的大小电磁铁磁场的磁感应强 00度可以做得很高，调节方便扫场线圈通以50Hz交流电流产生扫场磁场B磁 场应稳定均匀Q 耳 % b2E 23A-3稳态共振吸收信号SO 11/ 二厂 5S2.3J-5 NMR$验装置图锻率廿氾一边眼振汇醤山一探头&样品卅一楊流电源涉一移相器7临一示披器*N、S-电鐵诙(2)脉冲法核磁共振与连接波法不同的是，脉冲核磁共振是利用强短脉冲射频场 B1 加在实验样品上，脉冲宽度工<< T「T2，显然可以忽略弛豫的影响共振时，co = ®，则布1 2 0洛赫方程变为dudtdv石TB严dMdt=yB v1(15)(16)(17) 令初始条件u二v二0, M二M，则(15)、(16)、(17)的解为z0u = 0< v = M s i nB t0 1M - M co tz 0 1(18)(19)(20)若射频脉冲满足yB p 二 90。

1( 21 )称为90此时，u = 0,v = M ,M = 0，射脉冲使得磁化强度矢量的z分量 0z为零，表明其处于Oxy平面并绕z轴进动射频脉冲结束后，t>T,弛豫作用开始则v按指数规律衰减，M开始增加，直至为M二M，即z z 0u = 0< v = M e-( —)/t20M = M [1 - e-(t-p)/tJz0(22)(23)(24)与T1相联系，以®绕z轴旋转的磁矩v在样品线圈中感应出衰减的电压信号，称为自由衰减信号(FID)经相敏检波，得到的是频率差3 = 3，称之为旋进 0频率或化学位移对于不同的核， 3-3 的变化范围很小，如对 1H 约为十万分 0之一，对13C约为万分之二显然v = M e-(t-p)/T2c o s3(- 3 )t00( 25)FID 信号是时域信号，很难解读将式( 25)作傅里叶变换，即F(3) = J s v(t)e-i3tdt-s从而得到在①-①处的频率谱图，如图2.3.1-70噺生側 90° 绘沽ICHKI 2.3.1 -7脉冲核磯共振示意图傅里叶变换是通过计算机进行的单次脉冲方式与连续波方式的信号强度和 信噪比近似相同，但速度较快脉冲核磁共振谱可以通过施加一系列脉冲，累加 多次重复 FID 信号，再进行傅里叶变换，以提高信噪比。

由于脉冲法的特点， 它可以检测瞬时或长寿命的核，可以有选择性地增强灵敏度一个典型的脉冲核 磁谱仪示于图 2.3.1-8实验数据及数据处理B 二 0.59T01. 观察H的核磁共振信号，并测量g, Y因子a. 观察波形V 二 25.161MHz横坐标x纵坐标y1起始点-5.20最咼点-4.97最低点-4.7-4.8作图辅助点-4.702起始点4.10最咼点4.88.6最低点5-8.7作图辅助点503起始点14.90最咼点15.16.5最低点15.4-4.6b.使共振信号不等间距，在不同电压下测量V 二 25.191MHzV=95v1起始点-13.60最咼点-13.210.1最低点-12.9-9.9作图辅助点-12.902起始点-7.30最咼点-77.9最低点-6.95作图辅助点-6.903起始点6.50最咼点710.1最低点7.1-9.9V=85v横坐标x纵坐标y1起始点-13.40最咼点-12.911.7最低点-12.5-11.4作图辅助点-12.502起始点-7.60最咼点-7.28.1最低点-6.9-5作图辅助点-6.903起始点6.70最咼点7.211.5最低点7.4-10.7V=65v横坐标x纵坐标y1起始点-12.80最咼点-11.816.8最低点-11.3-15.2作图辅助点-11.302起始点-8.30最咼点-88.5最低点-7.6-5.1作图辅助点-7.603起始点7.30最咼点7.516.4最低点8.5-15C.使共振信号等间距，在不同电压下测量v 二 25.192MHzV=95v横坐标x纵坐标y1起始点-15.70最咼点-159.2最低点-14.9-9.3作图辅助点-14.902起始点-50最咼点-4.97.5最低点-4.5-5作图辅助点-4.503起始点4.40最咼点4.9。